JPH0994955A - インクジェット記録ヘッド用圧電アクチュエータ及びその製造方法 - Google Patents

インクジェット記録ヘッド用圧電アクチュエータ及びその製造方法

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JPH0994955A
JPH0994955A JP25292695A JP25292695A JPH0994955A JP H0994955 A JPH0994955 A JP H0994955A JP 25292695 A JP25292695 A JP 25292695A JP 25292695 A JP25292695 A JP 25292695A JP H0994955 A JPH0994955 A JP H0994955A
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進 平田
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Shingo Abe
新吾 阿部
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Abstract

(57)【要約】 【課題】簡略な構造で印字品位のばらつきが少なく、集
積化が可能でかつ生産性の高いインクジェット記録ヘッ
ド用のアクチュエータ及びその製造方法を提供する。 【解決手段】本発明のインクジェット記録ヘッド用圧電
アクチュエータは、シリコン基板の裏面をエッチングす
ることにより形成される互いに隔離したマトリクス状の
シリコンダイヤフラムと、前記シリコン基板表面の前記
シリコンダイヤフラム上に配置される圧電体とを備え、
前記各圧電体はシリコン基板と接する面に共通電極を有
し、他方の面に信号電極を有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェット記
録ヘッドに用いられる圧電アクチュエータに関する。
【0002】
【従来の技術】ワードプロセッサ、パーソナルコンピュ
ータ等の電子機器の出力装置としてプリンタがあり、こ
のプリンタの一つにインクジェットプリンタがある。
【0003】インクジェットプリンタに用いられるヘッ
ドは、ヘッド内のインク室に圧力を与えることでインク
室に連通したノズルからインクを吐出させている。この
インク室に圧力を与える手段として圧電アクチュエータ
が用いられる。
【0004】図14は、特開平3−243358号に開
示された従来のこの種の圧電アクチュエータの斜視図を
示すものである。同図において、基板21上に複数の溝
22を隔てて、板状の圧電素子を複数枚積層してなる圧
電ブロック23が設けられている。圧電ブロック23の
上面には信号電極24が形成されており、圧電ブロック
23の下面には図示しない共通電極(例えばアース電
極)が形成されている。
【0005】このような圧電ブロックは次のような概略
製造工程で製造される。まず、圧電体セラミックスのグ
リーンシートにスクリーン印刷法にて電極パターンを形
成し、これを多数枚圧着した後、内部に電極を含ませた
ままセラミックスと同時に焼結する。次に、縦方向の溝
を切削加工にて形成し、その側面に無電解メッキ法にて
表面電極を形成する。最後に先の縦方向の溝と交差する
よう横方向に溝を形成すると各圧電ブロックが完成す
る。
【0006】圧電ブロック23は図14の矢印方向に分
極されており、各電極に印加される電圧に応答して上方
に変位する。この変位を利用して図示しない振動板を介
してインク室を圧迫することにより、インクがノズルよ
り吐出し用紙に印字される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】このような構成による
と、圧電ブロック間のクロストークが防止でき、集積化
が可能なためノズルの高密度化が可能となり、マトリク
ス駆動できるためドライバの簡素化が可能になるという
効果がある。
【0008】しかしながら、ここでのアクチュエータは
積層型の圧電素子を加工して作製しており、圧電体と電
極パターンの組み合わせが複雑になるという問題点も有
する。また、製造工程において焼結や切削加工が用いら
れており、集積化のため圧電ブロックを微細化した際、
電極パターンや圧電ブロックサイズにばらつきを生じや
すく、印字品位のばらつきの原因になるという問題点を
有する。また、機械的な製作工程が多いため、生産性が
よくないという問題点も有する。
【0009】本発明ではこれらの問題点に鑑み、簡略な
構造で印字品位のばらつきが少なく、集積化が可能でか
つ生産性の高いインクジェット記録ヘッド用のアクチュ
エータ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め本発明のインクジェット記録ヘッド用アクチュエータ
は、裏面をエッチングすることにより形成される互いに
隔離したマトリクス状のシリコンダイヤフラムを有する
シリコン基板と、該シリコン基板表面の前記シリコンダ
イヤフラム上に配置される圧電体とを備え、前記各圧電
体はシリコン基板と接する面に共通電極を有し、他方の
面に信号電極を有することを特徴とする。
【0011】また、互いに隔離してマトリクス状に配置
される貫通口を有するシリコン基板と、該シリコン基板
表面の前記貫通口の位置に配置される圧電体と、前記シ
リコン基板の裏面全体に前記貫通口及び圧電体と接する
よう形成される金属膜とを備え、前記各圧電体はシリコ
ン基板と接する面に共通電極を有し、他方の面に信号電
極を有することを特徴とする。
【0012】また、前記圧電アクチュエータにおいて、
圧電体の平面形状が、鋭角が70乃至72°の平行四辺
形であることを特徴とする。
【0013】また、前記シリコンダイヤフラムを有する
圧電アクチュエータの製造方法は、単結晶シリコンダイ
ヤフラム上に、結晶性を有する圧電体を薄膜プロセスに
より形成することを特徴とする。
【0014】また、前記金属膜を有する圧電アクチュエ
ータの製造方法は、単結晶シリコンダイヤフラム上に、
結晶性を有する圧電体を薄膜プロセスにより形成し、前
記シリコンダイヤフラムを除去後、シリコン基板の裏面
全体に金属膜を電気メッキ法により形成することを特徴
とする。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明によるインクジェッ
ト記録ヘッド用アクチュエータを図を用いて詳細に説明
する。
【0016】図1は、本発明によるインクジェット記録
ヘッド用アクチュエータを表すものである。基板1は結
晶面方位(110)の単結晶シリコン基板で、オリエン
テーションフラット(OF)は(111)である。図に
示すように、基板1上に圧電体2をそれぞれ隔離して配
置することにより、圧電アクチュエータブロック3が形
成される。基板1上に該圧電ブロック3を多数形成する
ことにより、1枚のシリコン基板よりアクチュエータが
一度に多数生産できるため、大量生産が可能である。こ
れらの各圧電アクチュエータを図示しないインク室の側
壁の一部とし、インク室に連通するノズルを設けること
により、インクジェット記録ヘッドが構成される。
【0017】図2は、図1に示す圧電アクチュエータの
A−A’線における断面図であり、第1の実施の形態を
表すものである。1はシリコン基板、2は圧電体、4は
シリコンダイヤフラム、5は異方性エッチングで形成し
た裏面のシリコン側溝、6は圧電素子の共通電極、7は
圧電素子の信号電極、8、9は熱酸化膜(SiO2)で
ある。共通電極は接地され、信号電極は電源10にスイ
ッチングできるようになっている。
【0018】この圧電アクチュエータの通電時の状態を
図3に示す。電圧の印加により圧電体2は縦方向に変位
する。シリコンは剛性の大きい材料であるので圧電材料
と接合された場合、図3に示すように圧電体の変位に伴
いたわみを生じ、ユニモルフ型のアクチュエータとして
の働きを示す。この変位によりインク室を圧迫し、イン
クをノズルから噴出させて用紙への印字を行う。
【0019】図4は、圧電体2の平面図を表すものであ
る。図4に示すように、異方性エッチングによりできた
(110)単結晶シリコンの裏面の側溝の平面形状は、
最もエッチングレートの遅い(111)面が現れた、鋭
角が70〜72°である平行四辺形となる。よってその
上に形成する圧電体も、シリコン側溝の平面形状にそっ
た平行四辺形とするのが望ましい。
【0020】次に本実施の形態のアクチュエータの製造
方法について図5を用いて説明する。まず図5(a)に
示すように、面方位(100)の単結晶シリコン基板1
を熱酸化し、基板の表裏に熱酸化膜8、9を形成する。
【0021】次に図5(b)に示すように、フォトリソ
グラフィとエッチング法を用いて基板裏面の熱酸化膜9
にシリコン異方性エッチング用のマスク開口を形成し、
その熱酸化膜パターンをマスクとして裏のシリコン側溝
5とシリコンダイヤフラム4を形成する。シリコンダイ
ヤフラムの厚さは、変位をすることから5〜30μmが
望ましい。
【0022】次に図5(c)に示すように、Pt等圧電
材料と反応しにくい金属で共通電極6を形成する。薄膜
プロセスで作製される圧電材料においては、優れた圧電
定数を得るために結晶方位を(100)、(111)等
ある一定方位にそろえる必要がある。それには圧電材料
の下地となる共通電極6の結晶方位をそろえる必要があ
り、非晶質である熱酸化膜8の上に結晶性のある金属膜
を得るためには、Ptであれば450℃以上の高温プロ
セスを用いてrfスパッタ法等で成膜する。電極材料の
膜厚は、抵抗等の関係から0.1〜1μmが望ましい。
【0023】次に図5(d)に示すように、PZTに代
表される圧電材料2’を前記共通電極6の上に高温のr
fスパッタ法等でエピタキシャル成長させて成膜する。
圧電材料2’の厚さは、変位をすることから5〜30μ
mが望ましい。
【0024】次に図5(e)に示すように、Pt等圧電
材料と反応しにくい金属で信号電極7となる電極材料
7’をrfスパッタ法で成膜する。電極材料の膜厚は、
抵抗等の関係から0.1〜1μmが望ましい。
【0025】次に図5(f)に示すように、フォトリソ
グラフィとイオンミリング法により、信号電極7を形成
する。
【0026】最後に図5(g)に示すように、先の信号
電極7をエッチングのマスクとして圧電材料がPZTの
場合はCHF3ガスを用いたRIEによりパターニング
し、アクチュエータを完成させる。このアクチュエータ
の圧電素子側にポリイミド樹脂等でインク室を形成し、
その上にノズルオリフィスを有するノズルプレートを接
着すれば、図6に示すインクジェットヘッドが形成され
る。また逆に、裏面のシリコン側溝5側をインク室と
し、その上にノズルプレートを接着する構成とすれば、
図7に示すようにさらにシンプルなインクジェットヘッ
ドが得られる。
【0027】次に図8は、本発明の第2の実施の形態を
説明するものであり、図1に示すアクチュエータのA−
A’線における断面図である。1はシリコン基板、2は
圧電体、11は異方性エッチングで形成した裏面のシリ
コン貫通口、8は熱酸化膜(SiO2)、6はPt等で
形成された圧電素子の共通電極、7はPt等で形成され
た信号電極である。共通電極は接地され、信号電極は電
源10にスイッチングできるようになっている。12は
Ni等を電気メッキで形成するためのシード層、13は
前記圧電体2と組み合わせてユニモルフを形成するため
の金属膜であり、Ni等の剛性の大きな材料を用いるこ
とが望ましい。
【0028】このアクチュエータの通電時の状態を図9
に示す。電圧の印加により圧電体2は縦方向に変位す
る。Ni等の金属膜は剛性の大きい材料であるので圧電
材料と接合された場合、図9に示すように圧電体の変位
に伴いたわみを生じ、ユニモルフ型のアクチュエータと
しての働きを示す。この変位によりインク室を圧迫し、
インクをノズルから噴出させて用紙への印字を行う。
【0029】図10は、1つのアクチュエータブロック
の平面図である。図10に示すように、(100)単結
晶シリコンの異方性エッチングによりできた貫通口11
の平面形状は、エッチングマスク14の形状が長方形で
あっても、最もエッチングレートの遅い面である(11
1)面が現れた、鋭角が70〜72°である平行四辺形
となる。したがって、その上に形成する圧電体2も、図
11に示すようにシリコン貫通口の平面形状にそった平
行四辺形にするのが効率の面で望ましい。
【0030】次に本実施の形態のアクチュエータの製造
方法について図11を用いて説明する。まず図11
(a)に示すように、面方位(110)の単結晶シリコ
ン基板1を熱酸化し、基板の表裏に熱酸化膜8、9を形
成する。続いてフォトリソグラフィとエッチング法を用
いて基板裏面の熱酸化膜9にシリコン異方性エッチング
用のマスク開口を形成し、その熱酸化膜パターンをマス
クとして、KOH等のエッチング液を用いた異方性エッ
チング法にて、裏のシリコン側溝11’を形成する。こ
の時点では、生産性の面から完全にシリコンをエッチン
グして貫通口とはせず、厚さ5〜30μmのシリコン1
2をダイヤフラム状に残す。
【0031】次に図11(b)に示すように、Pt等圧
電材料と反応しにくい共通電極6を形成する。薄膜プロ
セスで作製される圧電材料においては、優れた圧電定数
を得るために結晶方位を(100)、(111)等のあ
る一定方位にそろえる必要がある。それには圧電材料の
下地となる共通電極6の結晶方位をそろえる必要があ
り、非晶質である熱酸化膜8の上に結晶性のある金属膜
を得るためには、Pt等であれば450℃以上の高温プ
ロセスを用いてrfスパッタ法等で成膜する。電極材料
の膜厚は、抵抗等の関係から0.1〜1μmが望まし
い。
【0032】次に図11(c)に示すように、PZTに
代表される圧電材料2’を前記共通電極6の上に高温の
rfスパッタ法等でエピタキシャル成長させて成膜す
る。圧電材料の厚さは、変位をすることから5〜30μ
mが望ましい。続いて、rfスパッタ法を用いて、Pt
等圧電材料と反応しにくい金属で信号電極7となる電極
材料7’を前記圧電材料2’上に成膜する。電極材料の
膜厚は、抵抗等の関係から0.1〜1μmが望ましい。
【0033】次に図11(d)に示すように、フォトリ
ソグラフィとイオンミリング法を用いて信号電極パター
ン7を形成する。その後、圧電材料がPZTの場合はC
HF3ガスを用いたRIEにより先の信号電極7をエッ
チングのマスクとして、圧電体2をパターニングする。
【0034】次に図11(e)に示すように、図11
(a)の段階で残しておいたダイヤフラム状のシリコン
部12を、KOH等のエッチング液を用いた異方性エッ
チングにより熱酸化膜(SiO2)8を残して完全にエ
ッチング除去し、貫通口11を形成する。
【0035】次に図11(f)に示すように、裏面のS
iO29をフォトリソグラフィとエッチング法にて除去
する。SiO2を除去するのは、図10に示すSiの異
方性エッチングの際、長方形のエッチングマスク14に
対し、アンダーカットが入った14’に相当する部分の
SiO2が後の工程において障害となるためである。
【0036】続いて図11(g)に示すように、無電解
メッキ法にて、Ni等の電気メッキの下地層12を形成
する。
【0037】最後に図11(h)に示すように、電気メ
ッキ法にてNi等の金属膜13を成膜し、アクチュエー
タを完成させる。金属膜13の膜厚は、変位をすること
から5〜30μmが望ましい。このアクチュエータの圧
電素子側にポリイミド樹脂等でインク室を形成し、その
上にノズルオリフィスを有するノズルプレートを接着す
れば、図12に示すインクジェットヘッドが形成され
る。また逆に、裏面のシリコン貫通口11側をインク室
とし、その上にノズルプレートを接着する構成とすれ
ば、図13に示すようにさらにシンプルなインクジェッ
トヘッドが得られる。
【0038】
【発明の効果】本発明のアクチュエータによれば、圧電
素子間のクロストークがなく、集積化が可能で、しかも
マトリクス駆動のできるシンプルで信頼性の高いアクチ
ュエータを得ることが出来る。また、各アクチュエータ
素子の平面形状を、シリコン基板の異方性エッチングに
よる開口の平面形状にそった鋭角が70〜72°をなす
平行四辺形とすることにより、効率がよくなり、さらに
集積化が可能となる。
【0039】また、圧電体を薄膜プロセスで作製するこ
とにより、精度の高いアクチュエータが得られ、また、
シリコン基板と併せてマイクロマシニング技術で作製す
ることが可能となるため、大量生産による生産性の向上
を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の圧電アクチュエータを表す図である。
【図2】本発明に係る第1の実施の形態の断面図であ
る。
【図3】図2に示す圧電アクチュエータの通電時の状態
を表す図である。
【図4】図2に示す圧電アクチュエータの圧電体の平面
図である。
【図5】図2に示す圧電アクチュエータの製造工程を説
明する図である。
【図6】図2に示す圧電アクチュエータを用いたインク
ジェット記録ヘッドを表す図である。
【図7】図2に示す圧電アクチュエータを用いたインク
ジェット記録ヘッドの別の例を表す図である。
【図8】本発明に係る第2実施の形態の断面図である。
【図9】図8に示す圧電アクチュエータの通電時の状態
を表す図である。
【図10】第2の実施例に係るアクチュエータブロック
の平面図である。
【図11】図8に示す圧電アクチュエータの製造工程を
説明する図である。
【図12】図8に示す圧電アクチュエータを用いたイン
クジェット記録ヘッドを表す図である。
【図13】図8に示す圧電アクチュエータを用いたイン
クジェット記録ヘッドの別の例を表す図である。
【図14】従来の圧電アクチュエータを表す図である。
【符号の説明】
1 基板 2 圧電体 3 圧電ブロック 4 シリコンダイヤフラム 5 シリコン側溝 6 共通電極 7 信号電極 8、9 熱酸化膜 10 電源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 恩田 裕 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 阿部 新吾 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 乾 哲也 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 裏面をエッチングすることにより形成さ
    れる互いに隔離したマトリクス状のシリコンダイヤフラ
    ムを有するシリコン基板と、該シリコン基板表面の前記
    シリコンダイヤフラム上に配置される圧電体とを備え、
    前記各圧電体はシリコン基板と接する面に共通電極を有
    し、他方の面に信号電極を有することを特徴とするイン
    クジェット記録ヘッド用圧電アクチュエータ。
  2. 【請求項2】 互いに隔離してマトリクス状に配置され
    る貫通口を有するシリコン基板と、該シリコン基板表面
    の前記貫通口の位置に配置される圧電体と、前記シリコ
    ン基板の裏面全体に前記貫通口及び圧電体と接するよう
    形成される金属膜とを備え、前記各圧電体はシリコン基
    板と接する面に共通電極を有し、他方の面に信号電極を
    有することを特徴とするインクジェット記録ヘッド用圧
    電アクチュエータ。
  3. 【請求項3】 請求項1及び請求項2に記載の圧電アク
    チュエータにおいて、圧電体の平面形状が、鋭角が70
    乃至72°の平行四辺形であることを特徴とするインク
    ジェット記録ヘッド用圧電アクチュエータ。
  4. 【請求項4】 請求項1に記載の圧電アクチュエータに
    おいて、単結晶シリコンダイヤフラム上に、結晶性を有
    する圧電体を薄膜プロセスにより形成することを特徴と
    するインクジェット記録ヘッド用圧電アクチュエータの
    製造方法。
  5. 【請求項5】 請求項2に記載の圧電アクチュエータに
    おいて、単結晶シリコンダイヤフラム上に、結晶性を有
    する圧電体を薄膜プロセスにより形成し、前記シリコン
    ダイヤフラムを除去後、シリコン基板の裏面全体に金属
    膜を電気メッキ法により形成することを特徴とするイン
    クジェット記録ヘッド用圧電アクチュエータの製造方
    法。
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